Введение

Ветровая турбина, вращающаяся вокруг вертикальной оси.

Турбины Савониуса – это тип ветровой турбины с вертикальной осью вращения (VAWT), используемый для преобразования энергии ветра во вращающий момент на вращающемся валу. Турбина состоит из нескольких аэродинамических профилей, как правило, но не всегда, вертикально установленных на вращающемся валу или каркасе, которые могут быть установлены на земле или закреплены в воздушных системах.

Происхождение

Ветровая турбина Савониуса была изобретена финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом в 1922 году и запатентована в 1926 году. Европейцы задолго до этого, на протяжении многих десятилетий, экспериментировали с изогнутыми лопастями на вертикальных ветряных турбинах. Самое раннее упоминание об этом относится к епископу жудеца Чсанад Фаусто Веранцио, который также был инженером. В своей книге «Machinae novae», опубликованной в 1616 году, он описал несколько вертикально-осевых ветряных турбин с изогнутыми или V-образными лопастями. Ни один из его примеров, равно как и другие более ранние разработки, не достиг уровня развития, которого добился Савониус. В его биографии упоминается о его намерении создать ротор турбинного типа, аналогичный ротору Флеттнера, но способный к самовращению. Он испытывал свой ротор на различных небольших гребных лодках на озерах Финляндии. Результаты его исследований неизвестны, однако эффект Магнуса был подтвержден Феликсом ван Кёнигом в 1978 году. В США было подано два патента на ветротурбину Савониуса: один в 1925 году и один в 1928 году, автором которых являлся Савониус.

Операция

Турбина Савониуса – одна из самых простых турбин. Аэродинамически это устройство, работающее за счет силы сопротивления, состоящее из двух или трех ковшей. Если смотреть на ротор сверху, турбина с двумя ковшами может напоминать букву "S" в поперечном сечении. Благодаря кривизне, ковши испытывают меньшее сопротивление при движении навстречу ветру, чем при движении по ветру. Эта разница в сопротивлении заставляет турбину Савониуса вращаться. Поскольку это турбины, работающие за счет силы сопротивления, турбины Савониуса извлекают значительно меньше энергии ветра, чем другие турбины аналогичного размера, использующие принцип подъёмной силы. На практике, значительная часть площади, описываемой ротором турбины Савониуса, может находиться близко к земле, если она установлена на короткой опоре без удлиненного столба, что снижает общую эффективность извлечения энергии из-за более низких скоростей ветра на меньшей высоте. Они обладают рядом преимуществ перед ветровыми турбинами с горизонтальной осью, в частности, низким уровнем шума, способностью работать при слабом ветре и относительной независимостью от направления ветра.

Мощность и скорость вращения

Согласно закону Бетца, максимальная мощность, которую можно извлечь из теоретического идеального ротора, равна , где – плотность воздуха, – высота и – диаметр ротора, а – скорость ветра. Однако на практике извлекаемая мощность составляет примерно половину этой величины (можно утверждать, что в каждый момент времени работает только одна половина ротора – та, что движется вместе с ветром) и также зависит от эффективности конкретного ротора. Таким образом, для теоретического идеального ротора получается , но средняя максимальная эффективность ветротурбины Савониуса составляет около 20%, что делает реальную извлекаемую мощность типичного Савониуса меньше. Угловая частота ротора определяется формулой , где – радиус, а – безразмерный коэффициент, называемый отношением скорости на конце лопасти. λ является характеристикой каждой конкретной ветряной мельницы, и для ротора Савониуса λ обычно близка к единице. Например, ротор Савониуса размером с нефтяную бочку, с h=1 и r=0.5, при ветре v=10, будет генерировать максимальную мощность 120 и максимальную угловую скорость 20 (190 оборотов в минуту).

Использование

Турбины Савониуса используются всякий раз, когда стоимость или надежность гораздо важнее эффективности. Большинство анемометров являются турбинами Савониуса по этой причине, так как эффективность не имеет значения для измерения скорости ветра. Гораздо более крупные турбины Савониуса использовались для выработки электроэнергии на глубоководных буях, которым требуется небольшое количество энергии и минимальное обслуживание. Конструкция упрощена, поскольку, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения (HAWT), не требуется механизм ориентации для учета изменения направления ветра, и турбина запускается самостоятельно. Турбины Савониуса и другие машины с вертикальной осью вращения подходят для перекачки воды и других применений, требующих высокого крутящего момента и низких оборотов, и обычно не подключаются к электрическим сетям. В начале 1980-х годов Ристо Жоуциниеми разработал версию спирального ротора (wiki:fi), которая не требует концевых пластин, имеет более плавный профиль крутящего момента и самозапускается так же, как и пара пересекающихся прямых роторов. Наиболее распространенным применением ветротурбины Савониуса является вентилятор Флеттнера, который часто можно увидеть на крышах фургонов и автобусов и используется в качестве охлаждающего устройства. Этот ротор был разработан для вентиляции немецким авиаконструктором Антоном Флеттнером в 1920-х годах. Он использует ветротурбину Савониуса для привода вытяжного вентилятора. Вентиляторы по-прежнему производятся в Великобритании компанией Flettner Ventilator Limited. Специально разработанные ветротурбины Савониуса использовались для обеспечения электроэнергией автономных станций детектора нейтрино эксперимента ARIANNA на шельфе Росса в Антарктиде. В Европе небольшие ветротурбины Савониуса иногда можно увидеть в качестве "анимированных" рекламных вывесок, где вращательное движение помогает привлечь внимание к рекламируемому товару. Иногда они демонстрируют простую двухкадровую анимацию.